DE2306022C3 - Plasmabrenner mit Achsialzufuhr des stabilisierenden Gases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner mit Achsialzufuhr des stabilisierenden Gases und einer in Achsialrichtung beweglichen Kathode, deren Düse von einem Kühlraum umgeben ist durch welchen eine Kühlflüssigkeit fließt bei dem zwischen der Innenwand des Brennermantels und der Wand eines mit diesem gleichachsigen inneren Rohres ein Umlauf vorgesehen ist bei dem im Plasmabrennerkopf eine Verteilerkammer vorgesehen ist, an welcher ein Halter der Kathode befestigt ist, wobei der Raum zwischen dem Halter und dem Rohr der Zufuhr des stabilisierenden Gases dient bei dem der Plasmabrennerkopf aus einem Verschlußstück besteht.

Bei den bekannten Plasmabrennern ist die Zufuhr des stabilisierenden Gases entweder achsial oder tangential vorgesehen. Eine solche Zuführungsanordnung ist zwar stabil, sie entspricht aber nur einer bestimmten Arbeitsweise des Plasmabrenners in verhältnismäßig engen Geschwindigkeitsgrenzen des gasförmigen Mediums in den Entladungskammern.

Die Wahl der Entfernung der Kathode von der Anode wird bei den bekannten Plasmabrennern ohne Rücksieht darauf bestimmt, daß durch Änderung dieser Entfernung auch eine Änderung der Umströmung der Kathode eintritt und dadurch auch die optimalen Bedingungen für das Brennen des Lichtbogens im Arbeitsraum gestört werden. Die elektrische Lichtbo- ">'> genentladung bei den bekannten Plasmabrennern wird üblicherweise durch die Bildung eines Kurzschlusses der Kathode mit der Anode eingeleitet, und zwar entweder unmittelbar oder mittels eines Metalldrahtes mit niedrigem Schmelzpunkt zwischen einer Hilfskathode v> und der Anode des Plasmabrenners. Es ist ebenfalls auch ein Zünden des elektrischen Lichtbogens mittels eines Hochfrequenz- oder Hochspannungsstromes bekannt durch welchen in der Entladungskammer eine elektrische Hochfrequenz- oder Hochspannungsentladung «> eingeleitet wird, die den Arbeitsraum ionisiert und so ein Zünden des elektrischen Lichtbogens ermöglicht, der durch den elektrischen Strom unterhalten wird, der als Gleich- oder Wechselstrom zugeführt wird.

Das Verfahren, welches zum Bilden eines künstlichen <> > elektrischen Kurschlusses einen Draht mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet, hat den Nachteil, daß das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt nicht nur den Plasmabrenner, sondern auch das Plasma und in vielen Fällen auch das geschmolzene Material verunreinigt Infolgedessen ist dieses Verfahren des Startens in den Fällen, wo eine hohe Reinheit des Plasmas gefordert wird, nicht anwendbar. Die Anwendung einer zusätzlichen elektrischen Entladung zwischen einer Hilfskathcde und der Anode bringt konstruktive Schwierigkeiten mit sich. Das Zünden des elektrischen Lichtbogens mittels einer Hochfrequenz- oder Hochspannungsquelle bedingt erhöhte Kosten der ganzen Anordnung.

Die achsiale Zufuhr des stabilisierenden Gases und eine in Achsialrichtung bewegliche Kathode, deren Düse von einem Kühlraum umgeben ist durch welchen eine Kühlflüssigkeit fließt ist bereits bekannt (DE-AS 17 90101). Dabei ist auch zwischen der Innenwand des Brennermantels und der Wand eines mit diesem gleichachsigen inneren Rohres ein Umlauf vorgesehen, bei dem im Plasmabrennerkopf eine Verteilerkammer angeordnet ist an welcher ein Halter der Kathode befestigt ist und der Raum zwischen dem Halter und dem Rohr der Zufuhr des stabilisierenden Gases dient

Bei einem solchen Brenner ist dann keine genügend wirksame Wärmeabfuhr gewährleistet wenn dieser für große Leistungen eingesetzt wird und eine Herabsetzung der Dicke der Grenzschicht der Flüssigkeit an der Oberfläche der gekühlten Düse ist nicht sichergestellt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten Plasmabrenner durch eine neue Konstruktion zu beseitigen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Kathode des Brenners an ihrer Oberfläche Längsnuten aufweist und die Umlaufeinlage mit Kühlkanälen versehen ist

Durch die geeignete Wahl der gegenseitigen Einstellung der Mündung der Zufuhr des stabilisierenden Gases und des Areitsendes der Kathode kann derselbe Plasmabrenner für Arbeiten mit einer geringen oder großen Menge an Arbeitsgase und für verschiedene Düsendurchmesser verwendet werden. Durch die Beseitigung der Abhängigkeit des Einsteilens der Mündung der Zufuhr des stabilisierenden Gases gegenüber dem Arbeitsende der Kathode mit einem Mechanismus im Brennerkopf zum Einstellen der Entfernung der Kathode von der Anode und zum Bilden einer gegenseitig sich ergänzenden Einheit nach dem Starten wird die Ausführung des Brenners und dessen Bedienung wesentlich erleichtert Durch die Anordnung von Längsnuten an der Kathodenoberfläche wird eine gleichmäßige Verteilung des axial strömenden Gases über den Umfang erreicht und eine höhere Kühlwirkung an der Kathodenoberfläche und, falls nötig, auch ein laminarer zentrischer Austritt des Plasmas aus der Düse, auch bei höheren Austrittsgeschwindigkeiten, erzielt. Durch die Ausstattung der unmittelbar gekühlten Düse des Plasmabrenners mit einer Umlaufeinlage, die mit Kanälen versehen ist, können dank der Möglichkeit kleiner Durchflußquerschnitte hohe Geschwindigkeiten der Kühlflüssigkeit an der Arbeitsoberfläche der Düse erzielt werden. Dadurch wird die Dicke der Grenzschicht der strömenden Flüssigkeit herabgesetzt und auch die Stirnseite der Düse, deren Durchmesser größer ist als der Innendurchmesser der Umlaufeinlage, wirksam gekühlt.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Gesamtansicht in Achsialschnitt,

F i g. 2 die Anordnung der Kathode mit Längsnuten an der Oberfläche und der Düse mit der Umlaufeinlage

im Aufrißund teilweisen achsialen Schnitt und

Fig.3 ein Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A der Fig.2, wobei die gegenseitige Anordnung und Ausfuhrung der Kathode, der Düse und der Umlaufeinlage gezeigt ist

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner besitzt eine Düse, die mit zwei gleichachisgcn Metallrohren verbunden ist, die einen äußeren Mantel 21 und einen inneren Mantel 22 des Brenners bilden, ferner eine Kathode 3, die auf einem elektrisch leitenden Halter 6 der Kathode befestigt ist Die Düse 1 des Plasmabrenners ist aus Kupfer oder einem Metall mit hohem Schmelzpunkt hergestellt und wird durch Wasser, das die Innenoberfläche der Düse in Richtung der gezeichneten Pfeile umspült, intensiv gekühlt Eine genügende Strömungsgeschwindigkeit des Wassers an der Innenoberfläche der Düse 1 wird durch eine Umlaufeinlage 23 (Fig.2) gesichert, die an einem Spülrohr 2 befestigt ist und zentrisch zwischen dem inneren und äußeren Brennermantel geführt wird. Das Spülrohr 2 ist in einer Muffe 9 verankert Das Kühlwasser wird zur Düse 1 über die Zufuhr 7 des Kühlwassers zugeführt und über den Abfluß 8 abgezogen. Die aus hochschmelzbarem Metall ausgeführte und im Halter 6 befestigte Kathode 3 ist hohl und wird ebenfalls durch Wasser gekühlt, das zu ihrer Basis über die Zufuhr 4 des Kathoden-Kühlwassers zugeführt wird. Sein Abzug erfolgt durch den Abfluß 20 dieses Kathoden-Kühlwasser-Kreislaufes. Das verwendete Gas wird in eine Verteilerkammer 16 über die Gaszufuhr 17 geleitet von wo es in die Entladungska;nmer des Brenners über ein Rohr 5 aus elektrisch isolierendem Material geführt wird, das in der Verteilerkammer 16 befestigt ist Der durch den Halter 6 der Kathode 3 und das Rohr 5 bestimmte Raum bildet eine achsiale Gaszufuhrvorrichtung. In einem durch eine Muffe 9, eine Mutter 12 und einen Verschluß 15 gebildeten Brennerkopf ist eine Vorrichtung zum Einstellen der Zufuhr des stabilisierenden Gases und ein Mechanismus zum Starten und Einstellen der Entfernung der Kathode 3 von der Düse 1 vorgesehen. Das Einstellen der Entfernung der Kathode 3 von der Düse 1 wird durch Drehen der Mutter 12 ausgeführt, die an beiden Seiten mit gegenläufigem Gewinde versehen ist Beim Drehen der Mutter 12 wird die Entfernung zwischen dem Verschluß 15 und der Muffe S geändert, wodurch gleichzeitig die Verteilerkammer 16 in Richtung der Längsachse des Brenners verstellt wird, deren dauernder Kontakt mit dem Boden des Verschlusses 15 durch den Druck einer Feder 14 gesichert ist, die auf die Verteilerkammer 16 über eine Druckplatte 13 einwirkt, die aus elektrisch isolierendem Material besteht Mit der Verteilerkammer 16 bewegt sich gleichzeitig das mit ihr verbundene Porzellanrohr 5, das das Gas in die Entladungskammer des Brenners zuführt und der Halt 6 mit der Kathode 3. Die Bewegung der Verteilerkammer wird auf den Halter 3 durch drei Arretationsschranben 18 übertragen.

In Fig.2 ist die Anordnung der Kathode mit Längsnuten an der Oberfläche und der Düse mit der Umlaufeinlage dargestellt Die Kathode 3 besitzt Längsnuten 26, über welche das Gas C mittels des Rohres 5 aus elektrisch isolierendem Material zentrisch auch in der Düse 1 geführt wird. Die Düse 1 des Plasmabrenners hat an ihrer Austrittsstelle eine ausgehöhlte Stirnwand, die am äußeren Umfang einen Gummiring 27 trägt In die ausgehöhlte Stirnwand der Düse 1 ist die Umlaufeinlage 23 eingesetzt, wobei die inneren Flächen des äußeren Randes dieser Stirnwand die Umlaufeinlage 23 zentrisch führen. Um den Eintritt des Kühlwassers B an die Arbeitsfläche der Düse 1 zu

ι ο ermöglichen, sind am äußeren Umfang der Umlauf einlage 23 Kanäle 24 vorgesehen. Durch die genaue Führung der Umlaufeinlage 23 entlang der zylindrischen Innenwand des äußeren Randes der Stirnwand der Düse 1 kann ein sehr geringer Durchflußquerschnitt für das

1·> Kühlwasser B zwischen der gekühlten Wand der Düse 1 und der Innenfläche der Umlaufeinlage 23 erzielt werden. Die Durchflußbahn des Kühlwassers B ist in Fig.2 durch Pfeile angedeutet Der Raum für die Zufuhr des Kühlwassers B zur Düse 1 ist durch die Innenwand des Mantels 21 und die äußere Wand und die Kanäle der Umlaufeinlage 23 bestimmt

In F i g. 3 ist die Form einer möglichen Ausführung der Kanäle 24 in der Umlaufeinlage 23 in Querschnitt angedeutet, zusammen mit dem Arbeitsteil des Plasmabrenners.

Die Mutter 12 und das Verschlußstück 15 bestehen aus elektrisch isolierendem Material. Das Abdichten des Porzellanrohres 5 erfolgt durch einen Dichtungsring 10. Ein optimales Einstellen der Mündung der Gaszufuhr

jo und der Basis der Kathode 3 ist nach Lösen der Arretationsschrauben 18 möglich. Das Abdichten des Halters 6 der Kathode 3 erfolgt durch die Dichtung 19. Das Starten des Brenners geschieht mittels eines Ionisators oder durch Niederdrücken des Halters 6 der Kathode 3 in Richtung gegen die Düse 1 gegen die Kraft der Feder 14, die sich gegen eine aus elektrisch isolierendem Material ausgeführte Stützplatte 11 stützt Nach Kontaktbildung der Kathode 3 mit der Düse 1 und nach dem Nachlassen der auf den Halter 6 der Kathode 3 wirkenden Kraft erfolgt eine selbsttätige Rückkehr der Kathode 3 in ihre ursprüngliche Lage infolge der Wirkung der Kraft der Feder 14 und im Fall, daß der Plasmabrenner an eine Stromquelle angeschlossen war, zu einem Zünden des elektrischen Lichtbogens zwi-

»> sehen der Kathode 3 und der Düse 1. Der Anschluß des Plasmabrenners an die Stromquelle ist erfolgt durch Klemmen am äußeren Brennermantel und an Halter 6 der Kathode 3. Der Bereich der Anwendbarkeit und der Leistungen des Plasmabrenners kann durch Auswechsein der Größen der Düse 1, der Kathode 3 und der Umlaufeinlage 23 geändert werden.

Der beschriebene Plasmabrenner ist zum Schneiden von Eisen und von Nichteisenmetallen und Legierungen, zum Stahlschweißen, Schweißen von Nichteisenmetal-

>-> len wie zum Beispiel Molybdän, Wolfram und dergleichen geeignet Besonders vorteilhaft ist diese Anordnung des Plasmabrenners für eine Bandraffination und zum Schmelzen von Metallmaterial mit mittlerem und hohem Schmelzpunkt geeignet Nach

w) entsprechender Zurichtung der Düse kann der Brenner auch zum Aufspritzen von Metall- und Oxydschichten verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Plasmabrenner mit Achsialzufuhr des stabilisierenden Gases und einer in Achsialricbtung beweglichen Kathode, deren Düse von einem Kühlraum umgeben ist, durch welchen eine Kühlflüssigkeit fließt bei dem zwischen der Innenwand des Brennermantels und der Wand eines mit diesem gleichachsigen inneren Rohres ein Umlauf vorgesehen ist, bei dem im Plasmabrennerkopf eine Verteilerkammer vorgesehen ist, an welcher ein Halter der Kathode befestigt ist, wobei der Raum zwischen dem Halter und dem Rohr der Zufuhr des stabilisierenden Gases dient, bei dem der Plasmabrennerkopf aus einem Verschlußstück besteht, η dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (3) des Brenners an ihrer Oberfläche Längsnuttn (26) aufveist und die Umlaufeinlage (23) mit Kühlkanälen (24) versehen ist

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